2_矿内空气动力学基础

矿井通风与安全中国矿业大学第二章矿内空气动力学基础2.1流体的概念流体是一种受任何微小剪切力作用时都能连续变形的物质。流体可分为液体和气体。气体的分子距很大，分子间的吸引力很小，因而，气体极易变形和流动，总是充满它所能够达到的全部空间。液体的分子距较小，分子间的吸引力较大，因此流动性不如气体。一定质量的液体具有一定的体积，并取容器的形状，但不能够充满全部空间。流体具有流动性，两层流体以一定速度作相对运动时，在两层的交界面上就要产生内摩擦力，又叫粘滞力。一般来说，流体是可以压缩的，当压力改变时其体积就要改变，因而密度也随之必变。既没有内摩擦又没有压缩性的流体，叫做理想流体。理想流体一、压力压力（N/m2，Pa，J/m3）压头：如果将密度为的某液体注入到一个断面为A的垂直的管中，当液体的高度为h时，液体的体积为：V=hAm32.2风流压力与能量根据密度的定义，这时液体的质量为：mass=V=hAkg液体的重力为：F=hAgN根据压力的定义,有P=F/A=ghN/m2orPa因此，如果液体的密度已知，h就可代表压力＋_点压力：静压、全压、速压相对压力、绝对压力、大气压力绝对压力相对压力大气压力二、风流能量风流任一断面上能量（机械能）由三部分组成:热能位能动能在通风测量中以压力的形式出现，这三部分能量分别表示为静压，位压和动压。1、静压能（流动功）如图所示，有一两端开口的水平管道，断面为A，在其中放入一其体积为v质量为m的单元流体，即使不考虑磨擦阻力，由于管道中存在压力P，流体的运动受阻，因此必须施加一个力F克服阻力。当力F使流体移动一段距离后，就做了功。2、动能对一个质量为m静止的物体，施加一个恒定的力F，在t时间内加速到u，由于是匀加速，其平均速度为：(0+u)/2=u/2m/s移动的距离为：L=(u/2)tm加速度为：a=△u/△t=u/tm/s2施加的力为：F=ma=mu/tN从静止到速度为u，F做功为：Wd=Ev=FL=(mu/t)(u/2)t=mu2/2JEv就是质量为m的流体所具有的动能.3、位能(势能)任何标高都可用作位能的基点。在矿井中，不同的地点标高不同，则位能不一样。质量为m的物体位于基点上，其势能为0。当对其施加一个能克服重力向上的力F，使其向上移动到高于基点Zm，力F做的功为：Wd=FZ=Ep=mgZJEp为物体在Z高度上的势能。2.3能量方程（伯努力方程）)()22())2(22211222211212122222221111121gZgZVVPPhVgZPVgZPhff（）（21222221112122hPgZuPgZu截面1能量U1＝截面2能量U2+损失h1-2若认为流体不可压缩，则密度不变，那么单位质量流体的伯努利方程表达式为：)()(2)2122212121fZZgVVPPh（2.4压力坡度线通风压力坡度线是对能量方程的图形描述，反映空气在流动过程中压力沿程的变化规律、通风压力呵通风阻力之间的相互关系和相互转换。通风压力坡度线是通风管理和均压防灭火的有力工具。如图所示的压入式通风系统，能量方程为：式中Hs=P1-P2——通风机在风硐中所造成的相对静压；Hn——自然风压，Pa2)2(22221211vhHvH、ns压入式通风的压力分布由于通风机入口外P0，风速等于0，忽略这段巷道的阻力不计时，其能量方程式为：Hf——通风机全压，Pa。能量方程为：此式表明，通风机全压与自然风压共同作用，克服了矿井阻力，并在出风井口造成动压损失。2211vHHsf222221vhHH、nf压入式通风的压力坡度线压入式通风系统压力坡度图P0为地表大气压，Pa；222221vhHH、ns如图所示的抽出式通风系统，能量方程为：通风机入口2到扩散塔出口3的能量方程式：抽出式通风的压力分布22222233vvHHsf因此能量方程为：当不考虑自然风压时，在通风机的全压中，用于克服矿井阻力h1、2那一部分，常称为通风机有效静压，以Hs′表示：上式说明，在抽出式通风时，通风机的有效静压，等于通风机在风硐中所造成的静压与风硐中风流动压之差，或者等于通风机的全压与扩散塔出口动压之差。223321vhHH、nf2233'vHHfs抽出式通风的压力坡度线抽出式通风系统压力坡度图如图所示辅助通风机安装在井下，在辅助通风机前后都有一段风路，前段为抽出式，出口端为压入式。通风机安装在井下时压力分布22211222vvHHsf断面1、2的能量方程式：入风井口断面a到通风机吸风口断面1之间的能量方程式:210111()/2aaahppgzv0021zzva0pppba通风机出风口断面2到排风井口断面b之间的能量方程式(1)、(2)相加有：其中，2222022/2bbbbbhppvvgz22bbba、nfvhHH)(矿井自然风压gzgzHbbaan)(21矿井通风阻力、ba、ba、hhh210111()/2aaahppgzv通风机安装在井下时压力坡度线抽压结合式通风系统压力坡度图由推导过程可知：无论压入式、抽出式或通风机安装在井下，用于克服矿井通风阻力和造成出风井口动压损失的通风动力，均为通风机的全压与自然风压之总和。无论何种通风方式或安装地点有何不同，都有必要降低出风井口风流的动压损失以节省通风机能量。复习思考题2-1何谓空气的静压，它是怎样产生的？说明其物理意义和单位。2-2何谓空气的重力位能？说明其物理意义和单位。2-3简述绝对压力和相对压力的概念。为什么在正压通风中断面上某点的相对全压大于相对静压，而在负压通风中断面某点的相对全压小于相对静压？2-4试述能量方程中各项的物理意义。2-5分别叙述在单位质量和单位体积流体能量方程中，风流的状态变化过程是怎样反映的？2-6在压入式通风的风筒中，测得风流中某点i的相对静压hsi＝600Pa，速压hvi＝100Pa，已知风筒外与i点同标高处的压力为100kPa。求：（1）i点的相对全压、绝对全压和绝对静压；（2）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为0点）。2-7在抽出式通风风筒中，测得风流中某点i的相对静压＝1000Pa，速压＝150Pa，风筒外与i点同标高的气压p＝101332.32Pa，求：（1）i点的绝对静压；（2）i点的相对全压；（3）i点的绝对全压。（4）将上述压力之间的关系作图表示（压力为纵坐标轴，真空为0点）。2-8用压差计和皮托管测得风筒内一点的相对全压为300Pa，相对静压为240Pa，已知空气密度为1.2kg/m3，试求A点的风流速度，并判断通风方式。